JP5077756B2

JP5077756B2 - 研磨装置

Info

Publication number: JP5077756B2
Application number: JP2008001410A
Authority: JP
Inventors: 直樹浅田; 武彦上田; 宙江口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-01-08
Filing date: 2008-01-08
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-01-08
Also published as: JP2009160695A

Description

本発明は、ガラス基板等の基板を研磨する研磨装置に関する。

基板表面を研磨する研磨装置としてＣＭＰ装置が例示される。ＣＭＰ装置は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）により基板表面を超精密に研磨加工する技術として、半導体ウェーハやガラス基板等の基板の研磨加工に広く利用されている。このような研磨装置では、チャックに保持された基板と研磨ヘッドに装着された研磨パッドとを相対回転させて押接し、基板と研磨パッドとの当接部に研磨内容に応じた研磨液（スラリー等）を供給して化学的・機械的な研磨作用を生じさせ、基板表面を平坦に研磨加工する（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００６−３１９２４９号公報

また、このような研磨装置は、ガラス基板等に対する平坦化研磨工程（研磨パッドによる研磨）において、上皿と称されるプレート部材の下面に貼り付けられた研磨パッドを当該研磨パッドよりも小さな基板に対し相対回転させた状態で当接させ、プレート部材および研磨パッドの中心部より基板と研磨パッドとの当接部に研磨液を供給して基板表面を平坦に研磨することも可能である。

しかしながら、上述のような研磨装置においては、研磨液の供給圧を受けて、基板と研磨パッドとの当接部において研磨液の液圧による浮上力（フローティング圧）が生じ、この浮上力が研磨荷重より大きくなると研磨パッドおよびプレート部材が基板に対して浮き上がり、研磨効率が下がるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、基板に対する研磨パッド（およびプレート部材）の浮き上がりを防止した研磨装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る研磨装置は、上面において基板を保持する保持機構と、前記保持機構の上面と対向するように設けられた研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドの下部に保持されたプレート部材と、前記基板よりも幅の大きいフィルム状に形成されるとともに前記プレート部材の下面に貼り付けられて前記基板を研磨可能な研磨パッドとを備え、前記プレート部材を介して前記研磨ヘッドに保持された前記研磨パッドを前記保持機構に保持された前記基板に当接させながら相対移動させて前記基板を研磨するように構成された研磨装置において、前記研磨パッドの中央部に形成された開口部より研磨用の液体を供給する液体供給機構を有しており、前記プレート部材の内部に、前記研磨パッドの前記開口部と接する前記プレート部材の下面中央部と連通して、前記液体供給機構から供給される液体を前記開口部に向けて流下させる液体供給通路と、外部露出する前記プレート部材の側面と前記液体供給通路とに連通した大気導入孔とが形成されている。

なお、上述の発明において、前記大気導入孔にオリフィスが設けられていることが好ましい。

また、上述の発明において、前記液体供給機構は、前記供給する液体の流量を制御する流量制御装置を有していることが好ましい。

本発明によれば、基板に対する研磨パッド（およびプレート部材）の浮き上がりを防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明を適用した研磨装置１の概略構成を図１に示す。研磨装置１は、ガラス基板等の基板Ｗを回転可能に保持する保持機構１０と、研磨パッド２３が装着された研磨ヘッド２１を回転させるヘッド回転機構２０と、基板Ｗに対して研磨パッド２３を昇降および相対揺動させるヘッド移動機構３０と、研磨パッド２３の中央部に形成された開口部２３ａ（図２を参照）より研磨液を供給する研磨液供給機構４０と、基板Ｗや研磨パッド２３の回転、基板Ｗに対する研磨パッド２３の昇降および揺動、研磨加工部への研磨液の供給等、研磨装置１の作動を制御する制御装置７０とを主体に構成される。

保持機構１０は、基板Ｗを保持するチャック１１と、このチャック１１の下部から鉛直下方に延びるスピンドル１４と、スピンドル１４に回転駆動力を伝達してチャック１１を水平面内で回転させるチャック駆動モータ１５等を有して構成される。チャック１１は、セラミック等の高剛性材料を用いて、上面の形状を基板Ｗの形状に合わせた平面度の高い定盤状に形成され、上面において基板Ｗを保持可能に構成される。チャック１１の内部に基板Ｗの下面を真空吸着する真空チャック構造が設けられて基板Ｗを着脱可能に構成されるとともに、チャック１１上部が加工テーブルＴから露出して配設されており、チャック１１に吸着保持された基板Ｗの研磨対象面（すなわち被研磨面）が上向きの水平姿勢で保持される。

保持機構１０と隣接して、ヘッド移動機構３０が設けられており、ヘッド移動機構３０を構成する研磨アーム３２の先端にヘッド回転機構２０が設けられる。ヘッド回転機構２０は、チャック１１の上面と対向するように設けられた研磨ヘッド２１と、研磨ヘッド２１の上部から鉛直上方に延びるスピンドル２４と、スピンドル２４に回転駆動力を伝達して研磨ヘッド２１を水平面内で回転させるパッド駆動モータ２５等を有して構成される。

研磨ヘッド２１は、スピンドル２４に連結されたヘッドハウジング２１ａと、ヘッドハウジング２１ａに保持されたポリッシングプレート２２と、ポリッシングプレート２２の下面に貼り付けられた研磨パッド２３とを有して構成される。ポリッシングプレート２２は、チャック１１と同様の高剛性材料を用いて平面度の高い円盤状に形成され、ヘッドハウジング２１ａの下部に保持される。研磨パッド２３は、外径が基板Ｗの幅よりも大きい円環形のフィルム状に形成され、ポリッシングプレート２２の下面に貼り付けられて研磨面が下向きの水平姿勢で保持される。なお、研磨パッド２３は、ガラス基板等に対する平坦化研磨工程で用いられ、研磨パッド２３の代わりに、発泡ポリウレタン等の独立発泡体から構成される研磨パッド（図示せず）をポリッシングプレート２２の下面に貼り付けて、ＣＭＰ工程を行うことも可能である。

ポリッシングプレート２２の内部には、図２に示すように、研磨液供給機構４０から供給される研磨液を研磨パッド２３の開口部２３ａに向けて流下させる液体供給通路２２ａが、ポリッシングプレート２２の中心を上下に貫通して形成されている。さらに、ポリッシングプレート２２の内部には、外部露出するポリッシングプレート２２の側面と上述の液体供給通路２２ａとに連通した大気導入孔２２ｂがポリッシングプレート２２の径方向に延びて形成されている。この大気導入孔２２ｂは、液体供給通路２２ａよりも径の小さい孔であり、液体供給通路２２ａを流下する研磨液が大気導入孔２２ｂから外部に流出するのを抑えている。なお、大気導入孔２２ｂにオリフィス２２ｃを設けるようにしてもよい。このようにすれば、液体供給通路２２ａを流下する研磨液が大気導入孔２２ｂから外部に流出するのを最小限に抑えることができる。

また、ヘッドハウジング２１ａの内部に形成された加圧室に、エアの供給を受けてポリッシングプレート２２を下向きに加圧する、いわゆるエアバッグ式の加圧機構が設けられており、研磨パッド２３の研磨面を基板Ｗの被研磨面に当接させた状態で加圧室の圧力を制御することにより、基板Ｗと研磨パッド２３との当接圧力、すなわち研磨圧力を制御可能になっている。

ヘッド移動機構３０は、図１に示すように、加工テーブルＴから上方に突出する基部３１と、この基部３１から水平に延びる研磨アーム３２と、基部３１を通って上下に延びる揺動軸を中心として研磨アーム３２を水平揺動させるアーム揺動機構３５と、研磨アーム３２全体を垂直昇降させるアーム昇降機構（図示せず）等を有して構成され、上述したヘッド回転機構２０が研磨アーム３２の先端部に設けられている。ヘッド移動機構３０は、アーム揺動機構３５により研磨アーム３２を水平揺動させたときの研磨ヘッド２１の揺動軌跡上に保持機構１０が位置するように構成されており、研磨ヘッド２１をチャック１１と対向させた状態で研磨アーム３２全体を昇降させ、研磨パッド２３の研磨面を基板Ｗの被研磨面に当接させた状態で基板Ｗに対して研磨パッド２３を水平揺動可能に構成される。

研磨液供給機構４０は、図２に示すように、研磨装置１の外部に設けられた第１スラリー供給源６１、第２スラリー供給源６２、および純水供給源６３から供給される液体のうちいずれかを研磨ヘッド２１側に導く第１通路４１と、第１通路４１とは別に純水供給源６３から供給される純水を研磨ヘッド２１側に導く第２通路４２と、第１通路４１および第２通路４２から供給される液体のうちいずれかを研磨パッド２３の開口部２３ａに導く第３通路４３とを有して構成される。

第１通路４１の上流部には、第１切替弁４４が設けられる。第１切替弁４４は、第１スラリー供給源６１と繋がる通路の開閉を行う第１開閉弁４４ａと、第２スラリー供給源６２と繋がる通路の開閉を行う第２開閉弁４４ｂと、純水供給源６３と繋がる通路の開閉を行う第３開閉弁４４ｃとを有して構成され、これら３つの開閉弁４４ａ〜４４ｃのうちいずれかを開放することで、第１スラリー供給源６１、第２スラリー供給源６２、および純水供給源６３から供給される液体のうちいずれかを選択的に切り替えて第１通路４１に流すことができる。

また、第１通路４１には、上流側から順に、第１通路４１を流れる液体を研磨ヘッド２１側に圧送するダイヤフラムポンプ４６と、第１通路４１を流れる液体の流量を計測する流量計４７と、オリフィス４８とが設けられている。第１通路４１の下流部は、第２切替弁４５を介して第３通路４３と繋がる。

第２通路４２の上流部は、純水供給源６３と直接繋がる。一方、第２通路４２の下流部は、第２切替弁４５を介して第３通路４３と繋がる。また、第２通路４２には、上流側から順に、第２通路４２を流れる純水の流量を制御する定圧弁４９と、オリフィス５３とが設けられている。

定圧弁４９は、エア源６４からエア供給通路５０を介して供給されるエアの圧力に応じて、弁の開度調節（すなわち、流量制御）を行うようになっており、エア供給通路５０には、圧力計５１と、エア供給通路５０内のエアの圧力を調節するレギュレータ５２とが設けられている。これにより、レギュレータ５２を用いてエア供給通路５０内のエアの圧力を所望の圧力に調節することで、第２通路４２を流れる純水の流量、すなわち純水供給源６３から第２通路４２および第３通路４３を介して研磨パッド２３の開口部２３ａに供給される純水の流量を制御することができる。

第３通路４３の上流部には、第２切替弁４５が設けられる。第２切替弁４５は、第１通路４１の下流部に繋がって弁の開閉を行う第４開閉弁４５ａと、第２通路４２の下流部に繋がって弁の開閉を行う第５開閉弁４５ｂとを有して構成され、これら２つの開閉弁４５ａ〜４５ｂのうちいずれかを開放することで、第１通路４１および第２通路４２から供給される液体のうちいずれかを選択的に切り替えて第３通路４３に流すことができる。ここで、研磨装置１を本実施形態のように平坦化研磨工程に用いる場合には、研磨液として純水を供給するため、第５開閉弁４５ｂを開いて第２通路４２から供給される液体を第３通路４３に流す。一方、研磨装置１をＣＭＰ工程に用いる場合には、研磨液としてスラリーを供給するため、第４開閉弁４５ａを開いて第１通路４１から供給される液体を第３通路４３に流す。

そして、第３通路４３の下流部は、スピンドル２４に設けられたロータリージョイント２６を経由してポリッシングプレート２２の液体供給通路２２ａと繋がる。なお、研磨液供給機構４０の作動は、研磨装置１の作動状態に応じて、保持機構１０、ヘッド回転機構２０、およびヘッド移動機構３０とともに制御装置７０によって制御される。制御装置７０は、研磨装置１に予め設定記憶された制御プログラム、および研磨対象に応じて読み込まれた加工プログラムに基づいて、研磨液供給機構４０から研磨パッド２３の開口部２３ａに研磨液を供給させて基板Ｗの研磨加工を行わせる。

以上のように構成される研磨装置１を用いて、平坦化研磨工程における基板Ｗの研磨加工を行うには、ヘッド移動機構３０により研磨アーム３２を揺動させて研磨ヘッド２１をチャック１１の上方に対向して位置させ、チャック１１および研磨ヘッド２１をともに回転させながら研磨ヘッド２１を研磨位置に下降させて研磨パッド２３を基板Ｗに当接させ、研磨ヘッド２１に設けられた加圧機構により研磨パッド２３を所定の研磨圧力で基板Ｗに押圧させる。このとき、研磨液供給機構４０を用いて、研磨液としての純水を研磨パッド２３の開口部２３ａから基板Ｗと研磨パッド２３との当接部に供給する。

研磨液供給機構４０において、純水供給源６３から供給される純水は、第２通路４２および第３通路４３を流れてポリッシングプレート２２の液体供給通路２２ａに達し、そのまま液体供給通路２２ａを流下してポリッシングプレート２２の下面中央と接する研磨パッド２３の開口部２３ａから基板Ｗと研磨パッド２３との当接部に向けて流出する。このとき、前述したように、ポリッシングプレート２２の内部には、外部露出するポリッシングプレート２２の側面と上述の液体供給通路２２ａとに連通した大気導入孔２２ｂが形成されているため、研磨パッド２３の開口部２３ａから基板Ｗと研磨パッド２３との当接部に向けて流出する純水（液体）の圧力は、大気導入孔２２ｂで圧力開放されることにより大気圧とほぼ等しくなる。

そのため、本実施形態においては、基板Ｗと研磨パッド２３との当接部において純水の液圧による浮上力（フローティング圧）が生じるのを抑えて、基板Ｗに対する研磨パッド２３およびポリッシングプレート２２の浮き上がりを防止することが可能になる。また、研磨液供給機構４０に、研磨パッド２３の開口部２３ａへ供給する純水の流量を制御する定圧弁４９が設けられているため、基板Ｗと研磨パッド２３との当接部に流出する純水の流量が過剰になるのを防止することができ、基板Ｗに対する研磨パッド２３およびポリッシングプレート２２の浮き上がりをより確実に防止することが可能になる。さらに、第２通路４２にオリフィス５３を設けることで、研磨液供給機構４０から供給される純水の圧力を効果的に低減させることができる。

なお、上述の実施形態において、研磨パッド２３の開口部２３ａから基板Ｗと研磨パッド２３との当接部に向けて流出する純水の流量が基板Ｗ上で一定となるような位置に、研磨ヘッド２１の研磨位置を設定するようにしてもよく、このようにすれば、基板Ｗに対する研磨量プロファイル（研磨量分布）を均一にすることができる。

本発明に係る研磨装置の概略図である。研磨液供給機構の概略図である。

符号の説明

１研磨装置Ｗ基板
１０保持機構１１チャック
２１研磨ヘッド
２２ポリッシングプレート（プレート部材）
２２ａ液体供給通路２２ｂ大気導入孔
２２ｃオリフィス
２３研磨パッド２３ａ開口部
４０研磨液供給機構（液体供給機構）
４９定圧弁（流量制御装置）

Claims

上面において基板を保持する保持機構と、前記保持機構の上面と対向するように設けられた研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドの下部に保持されたプレート部材と、前記基板よりも幅の大きいフィルム状に形成されるとともに前記プレート部材の下面に貼り付けられて前記基板を研磨可能な研磨パッドとを備え、前記プレート部材を介して前記研磨ヘッドに保持された前記研磨パッドを前記保持機構に保持された前記基板に当接させながら相対移動させて前記基板を研磨するように構成された研磨装置において、
前記研磨パッドの中央部に形成された開口部より研磨用の液体を供給する液体供給機構を有しており、
前記プレート部材の内部に、前記研磨パッドの前記開口部と接する前記プレート部材の下面中央部と連通して、前記液体供給機構から供給される液体を前記開口部に向けて流下させる液体供給通路と、
外部露出する前記プレート部材の側面と前記液体供給通路とに連通した大気導入孔とが形成されていることを特徴とする研磨装置。
前記大気導入孔にオリフィスが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
前記液体供給機構は、前記供給する液体の流量を制御する流量制御装置を有していることを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の研磨装置。